基于PLC的风机控制系统设计

学 号 5机电传动控制课 程 论 文论文题目：姓 名：刘建峰班 级：机电124电 话：电子邮箱：提交日期： 河南科技大学2014 至 2015 学年 第 一 学期课程论文评分表评分内容分值评分标准得分论文选题20A论文具有前瞻性，有较多的创新见解：1620分B论文具有前瞻性，有少数的创新见解：515分C论文没有前瞻性，无创新：04分论文结构40A论文层次分明，内容组织有序：3040分B论文层次一般，内容组织一般：1529分C论文层次不合理，内容组织不合理：14分以下语言组织20A语言简练，通顺：1620分B语言一般，基本通顺：1215分C语言不通顺，错别字较多：11分以下结合实际20A论文有较高的使用价值，能够解决实际问题：1620分B论文使用价值一般，有一定的参考价值：815分C论文没有使用价值：07分合计100 摘 要 随着科学技术的进步，早期的可编程逻辑控制器已发展为现今的可编程控制器，简称PLC。PLC是微机控制技术与继电器控制技术相结合的产物，是在顺序控制器上发展起来的。PLC是以微处理器为核心用数字控制的专用工业计算机。即使在很恶劣的工业环境中，还能保持可靠运行。 煤矿的生产中，主通风机的系统起着极其重要的作用，通风机能否正常工作，直接影响煤矿的生产活动。因此对其进行PLC控制的变频调速系统的设计和研究，不仅可以大大提高煤矿生产的机械化、自动化水平，还能节大量的电能，具有较高的经济效益。本文结合PLC控制技术、变频调速技术和组态监控技术，对矿井通风机进行了PLC控制的状态监测和变频调速的设计和研究。以PLC为主控设备，介绍了可编程序控制器（PLC）在煤矿通风系统中的应用；探讨了通风机实现自动控制系统的系统组成和设计；涉及了硬件设备的选型与组态；并且汇编了通风机自动实现的梯形图；并且简述了PLC与其他智能装置的不同以及组成的控制系统。关键词：煤矿通风机； PLC； 在线控制Design of Fan Control System Based on PLCAbstracthas been developed for the present programmable controller, referred to as PLC. PLC is the com With the development of science and technology, the early programmable logic controller bination of the computer control technology and relay control technology, which is developed on the order controller.PLC is a special industrial computer with digital control for microprocessor as the core. Even in a very harsh industrial environment, it can be maintained In the production of coal mine, the system of the main fan plays an important role, and the fan can work normally, which directly affects the production of coal mine. So the design and research of PLC control system of frequency control of motor speed, not only can greatly improve the mechanization and automation level of the coal mine production, but also a lot of power, has high economic benefit.In this paper, the design and research of the state monitoring and frequency conversion speed regulation for the PLC control of the mine fan are carried out with the PLC control technology, the frequency conversion technology and the configuration monitoring technology. PLC based control equipment, introduces the application of programmable controller (PLC) in the mine ventilation system; discusses the fan to achieve automatic control system composition and design; relates to the hardware equipment selection and configuration; compiled the fan to achieve automatic control ladder diagram, and introduces briefly the PLC and other intelligent devices and personal computer network, composed of control system.Keywords: Coal mine ventilator; PLC; Online monitoring 目 录引 言11.1 PLC及风机控制系统的发展状况2第二章 总体方案设计52.1 控制系统的要求52.2 系统构成及工作原理52.3 离心风机控制原理分析6第3章 系统硬件设计103.1 温度传感器的选择103.2 PLC的选择103.2.1 PLC控制系统设计流程10第4章 系统软件设计154.1 PLC程序设计154.1.1 离心风机转换过程分析184.1.2 实验中系统工作状态184.1.3 实验中状态转换过程的实现方法194.2 程序设计的梯形图19结论25参考文献271引 言 近年来，随着科学技术的不断发展，可编程控制技术日趋完善，PLC的功能越来越强。它不仅可以代替继电器控制系统，使硬件软化，提高系统的可靠性和柔和性，还具有运算.技数。计时。调节。联网等功能。采用PLC的变频器驱动方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案，从而减少了生产成本，减少能量消耗和对环境的污染，为企业带来乐观的经济效益和社会效益。因此对于PLC控制的设计也越来越精密。 风机的重要组成部分是风机的控制系统，它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获和保证良好的电网兼容性等重要任务，它主要由监控系统、主控系统（主控系统是风机控制系统的主体）、变桨控制系统(与主控系统配合)以及变频系统（变频器）几部分组成。 随着电子技术和微电子技术的迅速发展，PLC的可靠控制和变频器的驱动，得到广泛的应用。PLC控制的变频调速离心风机的通风系统因具有较高的可靠性和较好的节能效果，深受市场的欢迎。 1.1PLC及风机控制系统的发展状况 经过几十年的迅速发展，PLC的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛,其足迹已遍及国民经济的各个领域,形成了能够满足各种将需要的PLC应用系统。随着市场需求的不断提高PLC的发展体现出以下趋势。1.向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展2.过程控制功能不断增强3.大力开发和创新智能型I/O模块4.与个人计算机日益紧密结合5.编程语言趋向标准化6.通信与联网能力不断增强通风机控制系统的当今现状：风机的控制系统是风机的重要组成部分。现今，由于风力发电机组在我国电网中所占比例越来越大，风力发电方式的电网兼容性较差的问题也逐渐暴露出来，同时用户对不同风场、不同型号风机之间的联网要求也越来越高，这也对风机控制系统提出了新的一轮任务。（1）采用统一和开放的协议以实现不同风场、不同厂家和型号的风机之间的方便互联。 （2）需要进一步提高低电压穿越运行能力（LVRT）。（3）实现在功率预估条件下的风电场有功功率和无功功率及自动控制。第二章 总体方案设计2.1 系统构成及工作原理 工业离心风机的工作要求是指在特定的工作环境中，风机输出的风量要随着外界条件的变化，保持在设定的参数值上。这样，既可满足工作要求，又不使电动机空转，从而减少电能的浪费。为实现上述目标，本系统采用闭环控制的方式。工业现场的温度由温度传感器检测，变换成模拟输入反馈信号，经A/D转换后与PLC中给定值比较，再经D/A转换变成模拟量输出信号，控制变频器调节风机转速，从而达到控制工厂车间温度的目的系统组成简图如图2-1所示。图2-1 自动控制系统组成框图2.2 变频调速节电路原理图变频调速应用于风机系统电机的自动控制中，其节能效果明显。变频调速传动效率高，因变频调速属于电气调速，无中间机械设备，也就没有附加的转差损耗，属于低损耗的高效调速，而且其调速范围广，反应速度快，精度高，装臵安全可靠，安装调试方便，容易实现闭环控制，能达到自动调节。另外，使用变频调速还具有高效节能的效果。目前，变频调速控制器作为一种新型的节能控制装臵，已开始在各行各业逐渐得到推广和应用 变频系统的主电路原理图如图2-3所示。图2-3 变频器主电路原理图2.3 离心风机控制原理分析离心风机的叶轮外覆有机械外壳，叶轮的中心为进气口。离心风机工作时，动力设备运转驱动叶轮旋转，将空气从进气口吸入。离心风机的叶片转动过程中对气体施加动力作用，提高气体的压力和速度，气体在离心力的作用下沿叶道从排气口排 在控制电路的设计中，要考虑弱电和强电之间的隔离问题，还要考虑电路之间互锁的关系。这对于变频器安全运行十分重要。为了其可靠性和检测的方便，本次设计了手动/自动转换控制电路。通过转换开关及相应的电路来实现。电气控制线路图见图2-5所示。图2-5中，SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动转换用中间继电器，打在位置为手动状态，打在位置KA吸合，为自动状态。在手动状态，通过按钮SB1-SB12控制各台风机的起停。在自动状态时，系统执行PLC的控制程序，自动控制风机的起停。中间继电器KA的6个常闭触点串接在三台风机的手动控制电路上，控制三台风机的手动运行。中间继电器KA的常开触点接PLC的X0，控制自动变频运行程序的执行。在自动状态时，三台风机在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。风机电机电源的通断，由中间继电器KA1-KA6控制接触器KM 1-KM6的线圈来实现。HL0为自动运行指示灯。FR1, FR2, FR3为三台风机的热继电器的常闭触点，对电机进行过流保护。 图2-4 离心风机主电路图图2-5 离心风机控制线路图第3章 系统硬件设计3.1 温度传感器选择 为了实时检测车间内的温度，需要安装温度传感器，经比较后选定热电偶传感器。中间继电器KA1-KA6控制接触器KM1-KM6的接线图如图3-1所示。图3-1 KA-KM接线图3.2 PLC的选择经比较最终选择了日本松下电工FP0系列PLC产品。3.2.1 PLC控制系统设计流程 PLC控制系统的设计步骤如图3-2所示，在本系统的设计中，使用了一个主模块，一个扩展模块，一个A/D转换模块，共使用19个输入口，12个输出口，在I/O口的使用上，充分考虑了系统在以后扩展的需要，为了提高系统的可靠性，在软件设计时除了编制正常工作下的自动控制程序外，还在PLC中编制了手动控制程序，从而大大提高了系统可靠性。PLC模块接线图如图3-2所示。图3-2 PLC控制系统设计流程图图3-3 PLC接线图表3-1 I/O分配表X0系统启动Y0电源指示灯X1系统停止Y1温度过高指示灯X2变频器信号输入Y2接变频器VRF端X3温度传感器1信号输入Y4变频器报警X4温度传感器2信号输入Y5电机线圈过热报警X5热电偶传感器信号输入YA1#风机工频运转X6连接上位机YB1#风机变频运转X81#风机工频选择YC备用系统X91#风机变频选择YE2#风机工频运转XA1#风机启动YF2#风机变频运转XB1#风机停止Y223#风机工频运转XC2#风机工频选择Y233#风机变频运转XD2#风机变频选择XE2#风机启动XF2#风机停止X203#风机工频选择X213#风机变频选择X223#风机启动X233#风机停止（1） 上限频率：由于变频器内部具有转差补偿功能，在50HZ的情况下电动机在变频运行时的实际转速要大于工频运行时的转速，目的是增大了电动机的负载。本系统中上限频率设定为49.5HZ。（2） 下限频率：在风机系统中，转速过低，会出现电机的全扬程小于基本扬程(实际扬程)，形成电机“空转”的现象。因此，在多数情况下，下限频率不能太低，可根据实际情况适当调整。本系中下限频率设定为35HZ。（4）启动频率：风机在启动时，应适当预置启动频率值，使其在启动瞬间有一定的冲击力。本系统中启动频率设定为10HZ。第4章 系统软件设计4.1 PLC程序设计 风机控制系统可以实现的主要功能包括自动变频恒温运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制。PLC控制程序设计的主要任务是接收来自温度传感器的信号，判断当前的温度状态，通过相应的程序处理，发射出的信号去控制变频器、继电器、接触器、信号灯等电器的动作，以达到调整风机的运行，从而实现控制车间内温度的目的。主电路端子及功能表如表4-1所示,变频器接线图如图4-2所示。 图4-1 变频器连接端子图， 图4-2 变频器接线图4.1.2 实验中系统工作状态的设定 工作状态之间的转换条件是根据变频器输出频率是否到达极限频率和温度是否达到设定值。设变频器输出频率达到极限频率时的信号为X1，实际温度大于设定温度值的信号为X2，实际温度达到设定温度值的信号为X3实际温度小于设定温度值的信号为X4。从停机到开启1#风机的条件为：满足X2；保持现有工作状态的条件为：满足X3；增开风机条件：同时满足X1，X2；减开风机条件：同时满足X1，X4；系统工作状态如表4-3所示：表4-3 系统工作状态表状态符号工作状态S0停机状态，传感器检测。S201#风机变频运行，2#，3#风机停机。S211#风机工频运行，2#风机变频运行，3#风机停机。S221#风机工频运行，2#风机工频运行，3#风机变频运行。S233台风机全部工频运行，备用系统启动。S24关闭备用系统，3#风机变频运行。S25关闭1#风机，2#风机工频运行，3#风机变频运行。S26关闭2#风机，3#风机变频运行。S27关闭3#风机，传感器检测。S28系统异常，出现故障。4.1.3 实验中状态转换过程的实现方法 从传感器检测状态到开启1#风机，只需用变频器以起始频率起动1#风机电机运行即可；减开风机过程是在满足减开风机条件的前提下，通过PLC控制，断开工频运行状态电机的接触器主触点即可。本控制系统的主程序流程图如图4-4所示。4.2 程序设计的梯形图图4-3 系统总控制流程图图4-4 启动/停止程序图4-5比较程序 图4-6 模拟量输出程序结论利用PLC控制的变频器来实现离心风机变频调速自动控制的设计是完全可行的。采用本节设计的系统可以根据风机现场的实际情况，按照当时温度要求快速的调节风机叶轮转速，既不影响工作效果又能达到节能要求，减少了人力物力资源。本系统利用PLC实现就地控制，还设计了自动/手动互相切换两种工作方式，既能在正常生产中实现自动控制以确保安全的工作，又能在突发事件(如断电自控元器件出现故障或需要检修调整自控系统且不影响生产等)出现时，切换到手动控制进行应急处理。防止事故的发生而且系统的防干扰能力强，即使在恶劣的环境中也能可靠地工作，大大的缩短了故障修复时间。然而，本次设计的控制系统仅仅只对工业车间内对温度的特定要求而设计的，可能还会受到一些外来因素的影响，在硬件的选取上还留有一定的空间。另外系统的程序可根据实际需要而改变，具有良好的柔性。 参考文献1 史正勇.基于变频调速及PLC的风机控制系统的研究D.北京：北京科技大学机械工程学院，2005.2 汪向华，周捍东.工业除尘风机工况自动控制系统的研制J.林业产业，2006，33(6)：5759.3 杨铃.变频调速技术在离心式引风机控制中的节能分析J.风机技术，2006(4)：4748.4 王树.变频调速系统设计与应用M.北京：机械工业出版社，2005.5 李国厚.PLC原理与应用设计M.北京：化学工业出版社，2005. 6 王廷才,王伟.变频器原理及应用M.北京： 机械工业出版社，2057 蔡建军，孔鹏.基于PLC和变频调速的供暖锅炉控制系统设J.仪器仪表用户，2004，11(2)：2627.8 徐健，王延年.基于PLC的高炉鼓风机控制系统的设计与实现J.西安工程科技学院学报，2003(9).9 范永胜.变频器及可编程控制器在锅炉引风机上的应用J.机电产品开发与创新，